13、分子机器人的分子纳米技术探索

分子机器人的分子纳米技术探索

1. DNA 瓦片和 DNA 砖块技术趋势

1.1 晶体与 DNA 纳米晶体

晶体是由原子、分子和胶体粒子等单元周期性排列组成的固体材料。DNA 纳米晶体则是由 DNA 组成的分子单元的周期性排列。其单元排列存在多种变化，就像拼图一样，如果所有拼图块形状相同且无颜色或图案，整个结构是均匀的；若拼图块有黑白之分，就可以有多种排列方式，如黑白条纹交替或棋盘图案，还能通过改变条纹宽度、棋盘大小等形成无限多种周期性图案。此外，还有单元遵循特定规则形成非周期性图案的情况，这被称为算法自组装，是 DNA 纳米结构独特的结晶过程。

1.2 DNA 瓦片

DNA 瓦片是 DNA 纳米晶体的典型基元，类似于纳米级的拼图块。普通拼图块通过凹凸形状互补来拼接，而 DNA 瓦片则是通过单链部分（粘性末端）的碱基序列互补来拼接。平面纳米晶体是在溶液中无数 DNA 瓦片随机碰撞时，通过互补粘性末端的杂交而组装形成的，这个过程称为自组装。

自组装是向热力学稳定状态的转变过程，即单链 DNA 碱基间尽可能多地形成氢键的状态。为了生产缺陷较少的 DNA 晶体，常对溶液进行退火（逐渐冷却）处理。当水温升至 95°C 时，即使是最长的 DNA 双螺旋也会解旋成两条单链；将组成 DNA 瓦片的单链 DNA 分子在反应管中混合并从 95°C 退火至室温，单链 DNA 分子先形成 DNA 瓦片，然后瓦片通过粘性末端连接形成二维晶体。

DNA 瓦片是由几条单链 DNA 组成的超分子，具有分支结构，形成四个臂，每个臂末端有粘性末端。以 DX（双交叉）分子为例，使用两个反平行交叉分支作为分支结构。在含 Mg²⁺离子的缓冲溶液中，为抑